劉丹妮，孫小芙，李生珠，張 松，王金宇，徐 晗，張 岑

（國(guó)網(wǎng)吉林電力有限公司信息通信公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

2019年6 月，工信部向三大運(yùn)營(yíng)商與中國(guó)廣電發(fā)布了5G商用牌照。2020年3月4日，中共中央政治局常委會(huì)會(huì)議強(qiáng)調(diào)，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度?，F(xiàn)階段，5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，并且隨著5G技術(shù)、信息技術(shù)以及電力技術(shù)的綜合應(yīng)用，創(chuàng)新了諸多新技術(shù)[1]。

1 5G技術(shù)概述

5G技術(shù)是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，其應(yīng)用主要集中在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠和低延遲通信（ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）以及海量機(jī)器類通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）方面，能夠提供低時(shí)延、大帶寬、高可靠以及大連接的通信服務(wù)，為能源的生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)全環(huán)節(jié)提供廣泛連接與深度感知[2]。從目前國(guó)內(nèi)外的研究成果看，5G技術(shù)的應(yīng)用具有多元化特征，其中涉及到5種關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、頻譜共享、干擾協(xié)調(diào)以及大規(guī)模MIMO技術(shù)[3-5]?，F(xiàn)階段，5G技術(shù)在我國(guó)配網(wǎng)保護(hù)中的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，能夠滿足電力項(xiàng)目基礎(chǔ)建設(shè)、自動(dòng)輸配電技術(shù)應(yīng)用、配網(wǎng)自動(dòng)化管理、配網(wǎng)搶修以及電力市場(chǎng)營(yíng)銷等各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求。在整個(gè)電力行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，可以借助5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)泛在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，使電力網(wǎng)絡(luò)得到全面管理[6]。

2 5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用體現(xiàn)

5G技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)趨于多元化，但主要的應(yīng)用方向仍然集中在對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)方面，下面以、為例對(duì)其應(yīng)用體現(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明[7]。

2.1 國(guó)內(nèi)應(yīng)用體現(xiàn)

首先，通過(guò)5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，在電力系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)化連接，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互[8]?，F(xiàn)階段，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)為感知層+網(wǎng)絡(luò)層+平臺(tái)層+應(yīng)用層。在全天候工作模式下，基于5G技術(shù)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的配電自動(dòng)化通信需求得到了有效滿足，而且還可以滿足智能分布式配電自動(dòng)化、低壓用電信息采集、分布式電源以及電力巡檢機(jī)器人等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

其次，自5G元年以來(lái)，5G業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)，基站建設(shè)、差動(dòng)保護(hù)功能測(cè)試迅速增加，圍繞5G通信承載保護(hù)技術(shù)的研究成果顯著增加[9]。與采用光纖通信的差動(dòng)保護(hù)相比，其通道延時(shí)僅延長(zhǎng)約7.8 ms，完全滿足分布式城市電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)對(duì)快速通信的要求。此外，在深度定制的uRLLC場(chǎng)景中，5G技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)切片、差動(dòng)保護(hù)通信延時(shí)以及整體動(dòng)作時(shí)間等相關(guān)技術(shù)的可提升空間相對(duì)較大，應(yīng)用前景相對(duì)較好。

2.2 國(guó)外應(yīng)用體現(xiàn)

國(guó)外基于5G通信的配網(wǎng)保護(hù)研究中，雖然有愛(ài)立信公司、諾基亞公司、美國(guó)預(yù)先研究計(jì)劃局以及相關(guān)組織機(jī)構(gòu)的大規(guī)模投資與深入研究，但是目前仍然停留在初級(jí)階段[10]。在研究?jī)?nèi)容方面，一是探討5G無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?、安全性、時(shí)延是否適合應(yīng)用到電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域，二是探討5G在差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用中的應(yīng)用方式，三是探討5G無(wú)線通信如何在智能電網(wǎng)中充分發(fā)揮低延時(shí)、超高速的優(yōu)點(diǎn)。

3 5G+配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)

3.1 設(shè)計(jì)思路

首先，當(dāng)前配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)中，基站建設(shè)是以4G基站、5G示范應(yīng)用程序配套應(yīng)用方案為主。本次研究中以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)、基于5G通信的電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)控制技術(shù)為準(zhǔn)，前者包括了無(wú)線網(wǎng)強(qiáng)架構(gòu)、基于TDOA的鋼絡(luò)定位技術(shù)、高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)（PTP協(xié)議）以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延高可靠關(guān)鍵技術(shù)，后者則涉及到主從式區(qū)域保護(hù)控制技術(shù)、分布式區(qū)域保護(hù)控制技術(shù)。在5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，總體設(shè)計(jì)思路是接入網(wǎng)設(shè)備集中化、協(xié)作化，大規(guī)模部署云無(wú)線接入網(wǎng)（Cloud Radio Access Network，C-RAN）。簡(jiǎn)單講，就是利用5G公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將配電網(wǎng)電流差動(dòng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的主站系統(tǒng)、通信終端以及業(yè)務(wù)終端關(guān)聯(lián)起來(lái)，使其在云端管理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)信息交互與數(shù)據(jù)管理等。

其次，在實(shí)踐方面，按照國(guó)網(wǎng)吉林信通公司協(xié)同國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司配網(wǎng)保護(hù)專業(yè)，針對(duì)現(xiàn)有長(zhǎng)春地區(qū)配網(wǎng)線路及通信技術(shù)進(jìn)行充分交流，驗(yàn)證其可操作性和可推廣性，并選取適合的配網(wǎng)線路作為本次測(cè)試用例。

3.2 實(shí)施方案

在配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)中，保護(hù)信號(hào)的設(shè)置要求滿足同步應(yīng)用需求。一般情況下，要求做到采樣時(shí)間點(diǎn)在線路兩側(cè)的一致性，同時(shí)結(jié)合差動(dòng)繼電器兩側(cè)同一時(shí)間點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)完成差動(dòng)電流計(jì)算。差動(dòng)保護(hù)對(duì)電流差值的判斷需基于同一時(shí)刻的電流值，要求相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)或多個(gè)差動(dòng)保護(hù)終端必須保證時(shí)間同步，其時(shí)間同步精度＜10 μs，交互信息的傳輸時(shí)延最大不超過(guò)12 ms。對(duì)通信的需求中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)時(shí)延、可用性以及可靠性。

在配網(wǎng)保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)5G通信僅需在現(xiàn)有裝置中加裝5G通信模塊，各保護(hù)裝置能通過(guò)5G基站直接進(jìn)行信息交互。由于uRLLC場(chǎng)景下5G通信延遲最多可降至0.5 ms（單向），而且傳輸速率大幅增加，因此可完全實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)湎碌拇髷?shù)據(jù)量、高性能、有新能源接入的配網(wǎng)保護(hù)。5G對(duì)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力也較強(qiáng)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)新能源發(fā)電單元、保護(hù)裝置及其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接入或移除。在基于傳統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)模型架構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MEC組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建電力5G時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電力5G時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

通過(guò)在電力5G網(wǎng)絡(luò)與基站間、電力5G網(wǎng)絡(luò)與終端間應(yīng)用低開(kāi)銷與高精度時(shí)頻同步技術(shù)，可以圍繞電力系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻同步無(wú)線應(yīng)用的目標(biāo)。電力5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻同步無(wú)線應(yīng)用場(chǎng)景見(jiàn)圖2。

圖2 電力5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻同步無(wú)線應(yīng)用場(chǎng)景

4 結(jié) 論

隨著基于5G技術(shù)的電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和配網(wǎng)保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力輸配送的智能化，為后續(xù)的全球電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)以上分析可以看出5G+配網(wǎng)差動(dòng)已經(jīng)建立內(nèi)容相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，同時(shí)在技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)踐等層面已經(jīng)相對(duì)成熟。